Proyecto docente Fundamentos de Computadores


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1 Proyecto docente Fundamentos de Computadores Titulación de Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas Escuela Universitaria de Informática

2 Proyecto Docente - Profesorado Carmelo Cuenca Hernández (coordinador) Despacho 2-13 en el módulo 3 Horario de T U T O R Í A S Lunes de y jueves Francisca Quintana Domínguez (responsable de prácticas) Despacho 2-12 en el módulo 3 Horario de T U T O R Í A S Lunes de y miércoles Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 2

3 Proyecto Docente Horarios L M V 8:30-9:30 9:30-10:30 T A T B T B 10:30-11:30 11:30-12:30 A1-A2 L1.1 A3-A4 L1.1 T A 12:30-13:30 13:30-14:30 A-5 L3.3 B1-B2 L1.1 B3-B4 L1.1 Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 3

4 Proyecto docente - Objetivos de la asignatura Fundamentos de Computadores presenta los componentes de un computador y la organización de estos componentes para ejecutar programas Obtener una visión general de la jerarquía de niveles de un computador Conocer y comprender las características más importante de la arquitectura y estructura de un computador Conocer y comprender los elementos básicos de la arquitectura del repertorio de instrucciones Dominar la programación en lenguaje ensamblador de algún procesador como, por ejemplo, el MIPS R2000 Conocer y comprender los elementos estructurales de un procesador para la ejecución de las instrucciones Conocer los principios básicos y métodos de diseño de unidades de control cableadas y microprogramadas Evaluar alternativas de diseño, así como el rendimiento de un computador Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 4

5 Proyecto Docente - Temario 1. Arquitectura de un computador y jerarquía de niveles (3 horas) 2. Arquitectura del nivel lenguaje máquina (10 horas) 1. Características generales del lenguaje máquina 2. Tipos de operandos e instrucciones 3. Modos de direccionamiento y formato de las instrucciones 4. Subrutinas 3. Diseño del procesador (15 horas) 1. Diseño y control cableado de un camino de datos monociclo 2. Diseño y control cableado de un camino de datos multiciclo 3. Diseño y control microprogramado de un camino de datos multiciclo 4. Rendimiento (2 horas) Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 5

6 Proyecto Docente - Prácticas 1. El simulador PCspim (2 horas) 2. Los datos en memoria (2 horas) 3. Carga y almacenamiento de los datos (2 horas) 4. Las operaciones aritméticas y lógicas (2 horas) 5. Interfaz con el programa (2 horas) 6. Estructuras de control condicionales y bucles (2 horas) 7. Gestión de subrutinas (3 horas) Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 6

7 Proyecto Docente - Evaluación Nota final = 0.7 Nota de teoría Nota de práctica (siempre que nota de teoría >=5 y Nota de práctica>=5) La nota de teoría y de práctica se obtendrá en los exámenes de convocatoria de la asignatura, uno para teoría y otro para práctica Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 7

8 Arquitectura de un computador y jerarquía de niveles La arquitectura de un computador es la estructura de un computador que un programador en lenguaje máquina debe conocer para escribir un programa correcto (independiente del tiempo) Amdahl 1964

9 Objetivos Establecer características para nominar una máquina como computador Conocer los hitos de la arquitectura de los computadores Distinguir los diferentes niveles de estudio de los computadores Entender los mecanismos de traducción e interpretación de niveles Diferenciar entre la arquitectura y la estructura de un computador Describir los componentes básicos de un computador y las funcionalidades de cada uno de ellos por separados Explicar el funcionamiento global de un computador a partir de las relaciones de sus componentes básicos Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 9

10 Contenidos Concepto de computador Historia de los computadores La 1ª generación (los primeros computadores) La 2ª generación (transistores) La 3ª generación (SCI), la 4ª (LSI) y la 5ª (VLSI, UVLSI) Organización estructurada de un computador Lenguajes, niveles y máquinas virtuales Computador multinivel Funcionamiento de un computador Componentes de un computador Ciclo de instrucción Interconexión con buses El futuro de los computadores Ley de Moore Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 10

11 Concepto de computador Diccionario de la Lengua Española Máquina electrónica dotada de una memoria de gran capacidad y de métodos de tratamiento de la información, capaz de resolver problemas aritméticos y lógicos gracias a la utilización automática de programas registrados en ella Microsoft Encarta Dispositivo electrónico capaz de recibir un conjunto de instrucciones y ejecutarlas realizando cálculos sobre los datos numéricos, o bien compilando y correlacionando otros tipos de información Enciclopedia Británica Device for processing, storing, and displaying information Wikipedia Sistema digital con tecnología microelectrónica capaz de procesar información a partir de un grupo de instrucciones denominado programa Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 11

12 Historia de los computadores "Quien olvida las lecciones de la historia queda condenado a repetirla." Will Durant, Lecciones de la Historia

13 ENIAC Qué, quiénes,? Electronic Numerical Integrator And Computer Eckert y Mauchly Universidad de Pennsylvania Tablas de trayectorias balísticas Año de inicio 1943 Año de finalización 1946 Tarde para la Segunda Guerra Mundial ( ) En funcionamiento hasta 1955 Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 13

14 ENIAC - detalles Decimal (no binario) 20 registros acumuladores de 10 dígitos Programado manualmente mediante 6000 interruptores tubos de vacío y 1500 relevadores 30 toneladas pies cuadrados 140 Kw de consumo de potencia 5000 sumas por segundo Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 14

15 Von Neumann/Turing Concepto de programa almacenado Componentes de un computador La memoria principal (MM) almacena programas y datos La unidad aritmética lógica (ALU) opera con datos binarios La unidad de control (UC) interpreta y provoca la ejecución de las instrucciones en memoria Máquinas EDSAC la primera computadora de programa almacenado Maurice Wilkes, Universidad de Cambridge, (?-1949) La máquina IAS John von Neumann y Herman Goldstine, Instituto para Estudios Avanzados de Princeton, ( ) Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 15

16 Estructura de una máquina von Neumann Cinco partes básicas: la memoria (M), almacena datos e instrucciones la unidad aritmética lógica (ALU), capaz de hacer operaciones con datos binarios la unidad de control (UC), interpreta y provoca la ejecución de las instrucciones en memoria el equipo de entrada y salida (I/O) Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 16

17 IAS - detalles Aritmética binaria 1000 palabras de 40 bits 2 registros de instrucciones de 20 bits Registros dentro de la CPU R. temporal de memoria (MBR) R. de direcciones de memoria (MAR) R. de instrucciones (IR) R. temporal de instrucciones (IBR) R. contador de programa (PC) R. acumulador (AC) R. multiplicador cociente (MQ) Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 17

18 Computadores comerciales 1947 Eckert-Mauchly Computer Comportation UNIVAC I (Universal Automatic Computer) Aplicaciones científicas y comerciales Oficina del censo en 1950 Operaciones algebraicas con matrices, problemas de matrices, primas para las compañías de seguro, problemas logísticos... Absorción por Sperry-Rand Comporation UNIVAC II a finales de los 50 Más rápido Más memoria Serie UNIVAC 1100 Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 18

19 IBM Fabricante de equipos de procesamiento con tarjetas perforadas 1953 El 701 para aplicaciones científicas 1955 El 702 para aplicaciones de gestión Líder mundial con las series 700/7000 Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 19

20 La segunda generación: los transistores ( ) Invención de Shockley y otros de los laboratorios Bell en 1947 Sustitución de los tubos de vacío por transistores Ventajas del transistor Más pequeño Más barato Menor disipación de calor Fabricado con silicio (arena) Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 20

21 Computadores con transistores NCR y RCA fueron los primeros en comercializar pequeñas máquinas con transistores IBM Fundación de Digital Equipment Corporation (DEC) pionera de los minicomputadores PDP 1 Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 21

22 La 3ª, 4ª y 5ª generación: los circuitos integrados (1965-????) Un computador consta de puertas, celdas de memoria e interconexiones Tales componentes podían ser fabricados a partir de un semiconductor como el silicio en un circuito integrado (Robert Noyce 1958) Generaciones 3ª, 4ª y 5ª de computadores 3ª generación Pequeña y mediana integración (SCI) Hasta 100 componentes en un chip IBM líder mundial inicia la familia DEC lanza el minicomputador de bajo coste PDP-8 4ª generación Gran integración (LSI ) Entre 3000 y componentes en un chip 5ª generación Alta Integración (VLSCI y UVLSI) 1978-???? Más de componentes en un chip Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 22

23 Organización estructurada de un computador Los computadores están diseñados como una serie de niveles, cada uno construido sobre sus predecesores. Cada nivel representa una abstracción distinta, y contiene diferentes objetos y operaciones

24 Lenguajes, niveles y máquinas virtuales La máquina virtual M i ejecuta sólo programas escritos en el lenguaje de programación L i Ejecución de programas en M i : Traducción Un programa traductor sustituye cada instrucción escrita en L i por una secuencia equivalente de instrucciones en L i-1. El programa resultante consiste exclusivamente en instrucciones de L i-1. Luego, M i-1 ejecuta el programa en Li-1 Interpretación Un programa intérprete escrito en L i-1 examina las instrucciones una por una y ejecuta cada vez la sucesión de instrucciones en L i-1 que equivale a cada una Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 24

25 Computador multinivel N. aplicaciones Microsoft Office, emule N. lenguaje alto nivel BASIC, C, C++, Java, Lisp, Prolog N. lenguaje ensamblador N. sistema operativo Archivo, partición, proceso, N. arquitectura del repertorio de instrucciones (ISA) Salto, pila, N. microarquitectura Banco de registros, ALU, camino de datos N. lógica digital Puertas lógicas: AND, OR, biestables, registros N. dispositivos Transistores, diodos, estado sólido Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 25

26 Funcionamiento de un computador

27 Componentes de un computador Unidad central de proceso (CPU) Unidad de control (UC) Unidad aritméticalógica (ALU) Memoria (M) Entrada y salida (E/S) Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 27

28 Ciclo de instrucción (1/2) Ciclo de búsqueda de instrucción El registro contador de programa (PC) contiene la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar El procesador busca la instrucción a partir de la localización de memoria señalada por el PC El procesador incrementa el contador de programa (hay excepciones) La instrucción es cargada en el registro de instrucciones (IR) Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 28

29 Ciclo de instrucción (2/2) Ciclo de ejecución (5 tipos) Procesador-memoria: transferencia de datos desde la CPU a la memoria o al revés Procesador-E/S: transferencia de datos a o desde el exterior Procesamiento de datos: la CPU ha de realizar alguna operación aritmética o lógica con los datos Control: una instrucción puede especificar que la secuencia de ejecución sea alterada Combinaciones de las anteriores Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 29

30 Ejemplo de ejecución de programa Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 30

31 Diagrama de estados del ciclo de instrucción Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 31

32 Esquema de interconexión Conjunto de conductores eléctricos para la conexión de dos o más dispositivos Tipos de buses De memoria, de datos y de control Anchura de los buses: 8, 16, 32, 64 bits Cómo son los buses? Pistas paralelas de los circuitos impresos Cintas de plástico con hilos conductores Conectores (ISA, PCI, ) Cables sueltos mediante buses Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 32

33 Bus ISA (Industry Standard Architecture) Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 33

34 Bus de alta prestaciones Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 34

35 El futuro de los computadores La relación coste/rendimiento ha mejorado los últimos 45 años aproximadamente (un 54% anual)

36 Ley de Moore La densidad de integración dobla cada 18 meses Válida hasta 2020?) Curso 2005/2006 Fundamentos de Computadores 36

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